-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von optischen Fasern
und von Vorformlingen für optische
Fasern.
-
Aufgrund
einer potentiellen Verwendbarkeit bei einer großen Anzahl von Anwendungen
wurde die vorliegende Erfindung auf dem Gebiet der Herstellung optischer
Fasern gemacht und weiter entwickelt. Optische Fasern sind dünne Glasstränge, die dazu
in der Lage sind, ein Lichtwellensignal, das eine große Informationsmenge
enthält,
mit sehr niedrigen Verlusten zu übertragen.
Eine optische Faser besteht typischerweise aus einem inneren Zylinder
aus Glas, der häufig
als der Kern bezeichnet wird und mit einer zylindrischen Hülle aus
Glas oder Kunststoff mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist,
die häufig
als Mantel bezeichnet wird.
-
Optische
Fasern wurden bisher gewöhnlich hergestellt,
indem zuerst ein Vorformling mit einer geeigneten Zusammensetzung
hergestellt wurde und anschließend
eine Faser aus diesem Vorformling gezogen wurde. Ein typischer Vorformling
hat gewöhnlich
die Form einer massiven, konzentrischen Glasstange mit einer Länge von
etwa einem Meter und einem typischen Durchmesser von 10–100 mm.
Der Kern dieses Vorformlings ist ein hochreines Glas mit niedrigen
Verlusten wie etwa Germanium-Silikat-Glas, mit einem Durchmesser
von etwa 1–40 mm.
Der Mantel ist eine Glasschicht, die den Kern umgibt und einen niedrigeren
Brechungsindex als der Kern aufweist.
-
Heute
existiert eine Anzahl von Herstellungsverfahren zur Herstellung
eines solchen Vorformlings. In einem Verfahren, das allgemein als
laterale Rußablagerungstechnik
bezeichnet und in den US-Patenten 3,711,262 und 3,876,560 beschrieben ist,
werden ein Glaspartikel-Material und dotierte Halogenide in einem
Hydrolyse-Brenner hergestellt und auf einem Ausgangselement wie
etwa einer Glasstange abgelagert. Zusätzliche Glasschichten einschließlich einer
Mantelschicht werden auf der Stange abgelagert, und die Kombination
wird auf einer transparenten Stange durch Erhitzen in einer inerten Umgebung
verfestigt. Dieser Vorgang erfordert viele Durchgänge (bis
zu 200), des heißen
Rußstroms
und ist daher kostspielig und zeitaufwendig. Darüber hinaus muß nach der
Ablage des Rußes
der Vorformling in einer kontrollierten Inert-Atmosphäre wie etwa
Helium gesintert werden, was ebenfalls sehr kostspielig ist. Ferner
benötigen
diese zusätzlichen
Erfordernisse ausgiebige Prozeßsteuerungen,
die die Produktion weiter verzögern
können
und die Kosten steigern.
-
Ein
weiteres Herstellungsverfahren wird gewöhnlich als modifizierte chemische
Dampfabscheidungstechnik (MCVD) bezeichnet. Bei dieser Technik werden
Glasvorstufen-Dämpfe
durch einen hohlen Glaszylinder geleitet, der ausreichend erhitzt
wird, um eine homogene Reaktion innerhalb des Glaszylinders zu beginnen.
Während
dieser Reaktion werden Glaspartikel geformt, an der Innenseite des
Glaszylinders abgeschieden und anschließend in den Zylinder durch
Durchlaufen der Hitzequelle eingeschmolzen. Diese Technik weist
ebenfalls Probleme auf, die mit den ineffizienten Abscheidungsraten
und den Erfordernissen des Startrohrs zusammenhängen, was wiederum die Wirtschaftlichkeit
der Herstellung und die Produktionsabläufe negativ beeinflußt.
-
Noch
eine weitere Technik zur Herstellung von Faser-Vorformlingen ist
der axiale Dampfabscheidungsprozeß, der noch allgemeiner als
VAD bezeichnet wird. Dieser Prozeß, der in dem US-Patent Nr.
4,062,665 beschrieben wird, umfaßt die gleichzeitige Flammenabscheidung
sowohl des Kerns als auch des Rußmantels auf dem Ende einer
rotierenden eingeschmolzenen Starterstange aus Siliziumdioxid. Während der
poröse
Ruß-Vorformling
wächst, wird
er langsam durch einen Graphit-Widerstandsofen (Kohlenstoffheizer)
gezogen, in welchem er zu einem transparenten Glas-Vorformling durch
Zonensintern verfestigt wird. Dieser Prozeß weist alle Nachteile und
Probleme auf, die mit einem Flammen-Hydrolyse-Brenner mit dotierten
Halogeniden verbunden sind und auch bei der oben beschriebenen lateralen
Rußablagerungstechnik
zu finden sind, außer dass
in diesem Fall zwei Hydrolyse-Brenner zur Steuerung vorhanden sind.
Die Prozeßsteuerung des
fertigen Vorformlings und die Steuerung beider Brenner muß präzise vorgenommen
werden.
-
Bei
noch einem anderen Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings
für eine
optische Faser wird der Kern aus einem inneren massiven Glasstab aus dotiertem
Siliziumdioxid und einem oder mehreren Mantelrohren hergestellt.
Bei diesem Verfahren, das in den US-Patenten Nr. 4,154,591 und 4,596,589 beschrieben
wird, wird ein Kernstab innerhalb eines Mantelrohrs angeordnet.
Das Rohr wird dann auf den Stab zusammengezogen, indem es langsam über die gesamte
Länge des
Rohres eine Wärmequelle durchläuft. Die
britische Patentanmeldung 22284206 schlägt vor, einen Stützstab (mit
einem Abdichtungsteil zur Abdichtung des Hüllen- oder Ummantelungsrohrs)
an den Kernstab und ein Stützrohr
an das Mantelrohr anzuschweißen,
welches Stützrohr
eine andere Reinheit aufweist als das Mantelrohr und einen Ring
zur Zentrierung des Kernstabs umfaßt. Das Rohr wird dann durch
langsames Durchlaufen einer Wärmequelle über die
gesamte Länge
des Rohrs auf den Stab kontrahiert, während die Anordnung auf einer
Drehvorrichtung rotiert. Die in den oben genannten Patenten offenbarten
Verfahren führen
jedoch zu langsamen und kostspieligen Prozessen, bei denen das Rohr
und der Stab vollständig
vor dem tatsächlichen
Ziehen der Faser zu einer massiven vielschichtigen zylindrischen
Masse zusammengezogen werden.
-
Ein
alternatives Verfahren zum Aufziehen eines Mantelrohrs auf eine
Glasstange wird in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr.
63-170235 offenbart. In diesem Patent wird vorgeschlagen, zunächst ein
erstes Ende auf die Stange zusammenzuziehen, anschließend auf
die Innenseite des Rohrs einen negativen Druck auszuüben und
schließlich
das gegenüberliegende
Ende des Rohrs auf die Stange zusammenzuziehen.
-
Die
japanische Patentanmeldung JP 60-155542 offenbart ein Verfahren,
bei welchem eine Kernstange und ein Mantelrohr zum Ziehen in einem Heizofen
angeordnet werden und die jeweiligen unteren Enden durch Hitze aufgeweicht
werden, geschmolzen, verbunden und zum Schmelzen einer Faser nach
unten gezogen werden.
-
Nach
den Beobachtungen des Anmelders sollte beim Zusammenziehen des Rohrs
auf die Stange besondere Aufmerksamkeit darauf verwendet werden,
der Geometrie des Vorformlings keine Asymmetrien während der
Herstellung und/oder dem Zusammenziehen des Vorformlings zu einer
massiven Masse zuzufügen,
da solche Asymmetrien sich in dem Querschnitt der fertigen Faser
wiederfinden können,
was negative Auswirkungen auf die Transmissionseigenschaften der
Faser hat. Insbesondere sollte bei der Herstellung eines einfachen
zweischichtigen Vorformlings durch Zusammenziehen eines Rohrs auf
eine Stange darauf geachtet werden, das Rohr und die Stange am Beginn
des Verfahrens korrekt auszurichten und das Rohr während des
Prozesses des Zusammendrückens
auf dem Stab zentriert zu halten, um solche Asymmetrien zu vermeiden.
In dieser Hinsicht hat der Anmelder bemerkt, dass bei den vorbekannten
Verfahren die Ausrichtung des Rohrs auf dem inneren Stab unmittelbar
auf der Drehvorrichtung zur Ausführung
des Zusammenziehens des Rohrs auf die Stange erfolgt. Dieser Vorgang
ist jedoch besonders schwierig, da die Drehvorrichtung sich allgemein
in einer vertikalen Stellung befindet und die korrekte Ausrichtung
des Rohrs mit der Stange zur Realisierung spezielle Glasverarbeitungskenntnisse
erfordert.
-
Ferner
hat der Anmelder beobachtet, dass auch die Temperatur der Heizquelle
zum Zusammendrücken
des Rohrs während
des gesamten Prozesses des Zusammendrückens genau gesteuert werden
sollte. Insbesondere wenn lediglich die gegenüberliegenden Enden des Rohrs
auf die jeweiligen Enden der Stange zusammengedrückt werden sollen, sollte der
Erwärmung
der nicht zusammengedrückten
Zone des Rohrs besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, so dass
thermische Spannungsbereiche in dem zusammengesetzten Vorformling
minimiert werden, während
ein unerwünschtes
Zusammenziehen in dieser Zone vermieden wird.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung ist demnach auf ein Verfahren und auf eine
Vorrichtung zur Herstellung optischer Fasern unter Verwendung einer
verbesserten unmittelbaren Ummantelungstechnik gerichtet, die im
wesentlichen eines oder mehrere der Probleme beseitigt, welche der
Anmelder bei den vorbekannten Verfahren beobachtet hat.
-
Zusätzliche
Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden
Beschreibung erläutert,
teilweise aus der Beschreibung ersichtlich oder durch Ausübung der
Erfindung gewonnen. Die Ziele und weiteren Vorteile der Erfindung werden
durch das Verfahren und die Vorrichtung realisiert und erreicht,
die insbesondere in der schriftlichen Beschreibung und den Ansprüchen sowie
in den beigefügten
Zeichnungen hervorgehoben werden.
-
Zur
Erreichung dieser und weiterer Vorteile und gemäß dem Zweck der vorliegenden
Erfindung, wie sie verkörpert
und ausführlich
beschrieben wird, schafft die Erfindung einen faseroptischen Vorformling
und ein Verfahren zur Herstellung desselben durch zentrales Anordnen
einer Kernstange innerhalb eines Rohres mit einem ringförmigen Zwischenraum
zwischen der äußeren Oberfläche der
Stange und der inneren Oberfläche
des Rohres, thermisches Zusammendrücken der äußersten Enden des Rohres auf
die jeweiligen äußersten
Enden der Stange, während
der ringförmige
Zwischenraum über
eine größere Länge des
Rohrs nicht kollabiert. Eine Kraft zum Vorspannen des Mantelrohrs
nach innen in Richtung der Stange, beispielsweise durch ein Vakuum,
wird vorzugsweise auf den ringförmigen
Zwischenraum ausgeübt,
so dass das Kollabieren des Rohrs auf den Stab erleichtert wird.
-
Der
fertige Vorformling wird dann in einen Ziehturm eingesetzt, in welchem
Wärme auf
eine des Vorformlings ausgeübt
wird, so dass der nicht kollabierte Teil des Mantelrohrs auf die
Stange kollabiert, wenn die Faser vom Ende des zusammengefallenen Endes
gezogen wird.
-
Insbesondere
bezieht sich ein Aspekt der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren
zur Herstellung eines Vorformlings einer optischen Faser durch Einsetzen
einer Glasstange in ein Glasrohr, derart, dass ein ringförmiger Zwischenraum
zwischen der äußeren Oberfläche der
Stange und der inneren Oberfläche
des Rohrs verbleibt, und thermisches Zusammendrücken der äußersten Enden des Rohrs auf die
jeweiligen äußersten
Enden der Stange, während ein
nicht zusammengedrückter
ringförmiger
Zwischenraum über
eine größere Länge des
Rohrs verbleibt, mit folgenden Schritten:
- • Zentrales
Anordnen einer Stange innerhalb eines Rohrs, mit einem ringförmigen Zwischenraum zwischen
der äußeren Oberfläche der
Stange und der inneren Oberfläche
des Rohrs;
- • Herstellen
einer mechanischen Dichtung zwischen einem Ende des Rohrs und der
Stange und Ausrichten des Rohrs mit der Stange in Bezug auf deren
Längsachse;
- • Thermisches
Zusammenziehen eines ersten Abschnitts des Rohrs auf die Stange
durch Führen einer
Heizquelle entlang dem ersten Abschnitt des Rohrs mit einer vorbestimmten
Eindrückgeschwindigkeit,
welcher Abschnitt sich am gegenüberliegenden,
nicht abgedichteten Ende des Rohrs befindet, zum Zwecke des dichten
Verschließens
des entgegengesetzten Endes des Rohrs und der Stange;
- • Aufbringen
einer Kraft zum Vorspannen des Rohres nach innen in Richtung der
Stange;
- • Bewegen
der Heizquelle in Richtung eines zweiten Abschnitts des Rohrs, der
sich in der Nähe des
abgedichteten Ende des Rohrs befindet, durch Führen der Heizquelle mit vorgegebener Bewegungsgeschwindigkeit
und damit Vermeiden eines Zusammenfallens des Rohres auf der Stange
zwischen den zwei Abschnitten und Vermeiden jeglichen thermischen
Crackens des Vorformlings;
- • Thermisches
Zusammendrücken
des zweiten Abschnitts des Rohrs auf die Stange durch Führen der
Heizquelle entlang dem zweiten Abschnitt des Rohrs mit im wesentlichen
der vorgegebenen Eindrückgeschwindigkeit.
-
Vorzugsweise
wird die Kraft zum Vorspannen des Rohres nach innen in Richtung
der Stange erzielt durch Aufbringen eines Vakuums in dem ringförmigen Zwischenraum
durch die mechanische Dichtung hindurch.
-
Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die vorgegebene
Bewegungsgeschwindigkeit der Heizquelle zwischen zwei- und achtfach
höher als
die genannte vorbestimmte Bewegungsgeschwindigkeit.
-
Gemäß einem
bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt das oben
genannte Verfahren die folgenden Schritte:
- • Zentrales
Anordnen der Stange innerhalb des Rohrs und Bilden der mechanischen
Dichtung und Ausrichtung wie oben genannt;
- • Thermisches
Zusammendrücken
eines ersten Teils eines ersten Abschnitts des Rohrs, welcher erste
Abschnitt am gegenüberliegenden,
nicht abgedichteten Ende des Rohrs liegt, durch Bewegen der Heizquelle
entlang dem ersten Teil des Rohrs mit vorgegebener Eindrückgeschwindigkeit,
mit dem Ziel eines dichten Verschließens des ersten Teils des Rohrs
auf die Stange;
- • Aufbringen
des Vakuums;
- • Bewegen
der Heizquelle zu einem zweiten Abschnitt des Rohres angrenzend
an das abgedichtete Ende des Rohrs und zurück zu dem ersten Abschnitt,
um zu ermöglichen,
dass flüchtige
zurückgebliebene
Stoffe, die an der inneren Wand des Rohrs oder an der Stange anhaften,
entfernt werden, durch Bewegen der Heizquelle mit einer ersten vorgegebenen
Bewegungsgeschwindigkeit, welche Bewegungsgeschwindigkeit derart ist,
dass ein Zusammenfallen des Rohrs auf die Stange zwischen den beiden
Abschnitten verhindert wird und ein thermisches Cracken des Vorformlings
verhindert wird;
- • Thermisches
Zusammendrücken
des restlichen Bereichs des ersten Abschnitts des Rohrs durch Bewegen
der Heizquelle entlang des restlichen Bereichs mit im wesentlichen
der vorbestimmten Eindrückgeschwindigkeit;
- • Bewegen
der Heizquelle zu dem zweiten Abschnitt des Rohrs, dabei Bewegen
mit einer zweiten vorgegebenen Bewegungsgeschwindigkeit, welche
Bewegungsgeschwindigkeit derart ist, dass ein Zusammenfallen des
Rohrs auf die Stange zwischen den beiden Abschnitten und ein thermisches
Cracken des Vorformlings vermieden werden;
- • Thermisches
Zusammendrücken
des zweiten Abschnitts des Rohrs auf die Stange durch Bewegen der
Heizquelle entlang des zweiten Abschnitts des Rohrs im wesentlichen
mit der vorgegebenen Eindrückgeschwindigkeit.
-
Gemäß einem
bevorzugten Aspekt entspricht der erste Teil des ersten Abschnitts,
der zusammengedrückt
wird, von etwa 10% bis etwa 30% des gesamten Abschnitts des Rohrs,
der zusammenzudrücken
ist.
-
Die
erste und die zweite vorgegebene Bewegungsgeschwindigkeit können beide
von etwa zwei- bis achtfach höher
sein als die vorgegebene Eindrückgeschwindigkeit,
oder vorzugsweise ist die erste vorbestimmte Bewegungsgeschwindigkeit
von etwa zwei- bis sechsfach höher
als die vorbestimmte Eindrückgeschwindigkeit,
während
die zweite vorgegebene Bewegungsgeschwindigkeit von etwa vier- bis
achtmal größer ist
als die vorgegebene Eindrückgeschwindigkeit.
-
Gemäß noch einem
weiteren Aspekt wird der Schritt des Bildens einer mechanischen
Dichtung zwischen einem Ende des Rohres und der Stange bei gleichzeitigem
Ausrichten des Rohres in Bezug auf die Stange unter Verwendung einer
Einrichtung ausgeführt
und damit unter Bildung einer Anordnung, die die Einrichtung und
die ausgerichtete Anordnung aus Stange und Rohr umfaßt, welche
Anordnung sodann auf einer Glasbank montiert wird.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine
Einrichtung zum Ausrichten der Stange innerhalb des Rohrs und zur Bildung
einer mechanischen Dichtung zwischen einem Ende des Rohrs und der
Stange, welche Einrichtung einen mit einem Gewinde versehenen Körper (37),
mit Gewinden versehene Ringe (38, 39 und 40),
O-Ringe (12, 13 und 14) und Schlitzringe
(32 und 33) umfaßt, wobei der O-Ring (12)
und der Schlitzring (32) um das Glasrohr herum angeordnet
sind, während
der O-Ring (13) und der Schlitzring (33) um die Glasstange
herum angeordnet sind, wobei die O-Ringe (12, 13) und
die Schlitzringe (32, 33) bei Drehung der Gewinderinge
(38, 40) zusammenwirken und damit die Zentralisierung
der Stange innerhalb des Rohrs und die mechanische Dichtung schaffen.
-
Gemäß einem
bevorzugten Aspekt sind die Schlitzringe geöffnet und weisen einen schmalen Spalt
auf ihrem Umfang auf.
-
Es
ist ein primäres
Ergebnis der durch diese Erfindung verkörperten Ummantelungstechnik,
dass im Gegensatz zu den herkömmlichen
Ummantelungsverfahren nicht die gesamte Länge des Rohrs/Mantels auf den
Kernstab während
der Zugphase des Herstellungsverfahrens zusammengedrückt wird.
Da die tatsächliche
Ummantelung während
des Faserziehens stattfindet, reduziert die Erfindung in großem Umfang
die Herstellungszeiten und die Kosten bei der Produktion des Vorformlings
und der Faser. Die Erfindung ermöglicht
ferner eine bessere Kontrolle der Ausrichtung des zusammengesetzten
Vorformlings und der Fasergeometrie sowie eine Verminderung der
thermischen Spannungsbereiche in dem zusammengesetzten Vorformling.
-
Es
versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung
als auch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und
erläuternd sind
und zur weiteren Erklärung
der beanspruchten Erfindung dienen.
-
KURZBESCHREIBUNGEN
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
beigefügten
Zeichnungen sind zum weiteren Verständnis der Erfindung beigefügt und sind
in diese Beschreibung eingeschlossen und stellen einen Teil derselben
dar, illustrieren verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
und dienen gemeinsam mit der Beschreibung zur Erläuterung
der Hauptmerkmale der Erfindung.
-
1 ist
eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Vorformlings;
-
2 ist
eine schematische Ansicht des Bereichs vom Hals abwärts des
Vorformlings, der durch Ausführung
des Verfahrens aus 1 erhalten wird;
-
3 ist
eine schematische Ansicht einer vorbereiteten Kernstange;
-
4 ist
eine schematische Ansicht der Stange aus 3, die in
ein Mantelrohr eingesetzt ist.
-
5 ist
ein Querschnitt durch eine Zusammensetzungseinrichtung zur Vorbereitung
eines Vorformlings gemäß 1;
-
6 ist
eine schematische Ansicht eines Vorformlings gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
7 ist
eine schematische Ansicht einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung der
Erfindung; und
-
8 ist
eine Draufsicht auf einen Schlitzring, der Bestandteil der Zusammensetzungseinrichtung
aus 5 ist.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Nun
soll detailliert auf die vorliegende bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung Bezug genommen werden, von welcher Beispiele in den
beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind. Wo es möglich ist, werden gleiche Bezugsziffern
in allen Zeichnungen verwendet, um Bezug auf gleiche oder vergleichbare Bauteile
zu nehmen.
-
Wie
in 1 dargestellt ist, wird der erfindungsgemäße Vorformling
für eine
optische Faser allgemein gesagt hergestellt durch: (1) zunächst zentriertes
Montieren der Kernstange und des Mantelrohrs auf einer Glasbank
und (2) thermisches Zusammendrücken
der äußersten
Enden des Rohrs auf die Stange.
-
In
dem ersten Schritt dieses Herstellungsverfahrens wird eine Kernstange 2 zur
Säuberung
flammenpoliert und in ein (zumindest an seinen Enden und auf der
inneren Oberfläche)
flammenpoliertes Mantelrohr 8 eingesetzt. Die Stange kann
perfekt konzentrisch sein oder wird vorzugsweise abgewandelt, wie
in 3 dargestellt ist, durch Anbringung angeschweißter Handgriffe 3 an
beiden Enden. Wie im US-Patent Nr. 5,685,363 offenbart ist, ist
vorzugsweise der geschweißte
Handgriff an einem Ende des Rohrs derart abgewandelt, dass er einen
Abschnitt vergrößerten Durchmessers
oder eine ringförmige Rippe 21 umfaßt, wie
in 3 dargestellt ist. Der Abschnitt vergrößerten Durchmessers 23 sollte
derart bemessen sein, dass er an der Innenwand des Rohrs 8 angreift;
auf diese Weise wird der Zwischenraum zwischen der Stange und der
inneren Wand des Rohrs vermindert, und das nachfolgende Zusammendrücken des
Rohrs wird vereinfacht. Die Stange wird dann derart in das Rohr
eingesetzt, dass ein Ende des Rohrs den Bereich großen Durchmessers 21 der
Stange berührt,
so dass dieses Ende der Stange innerhalb des Rohrs zentralisiert
wird. Die Abmessungen der Stange und des Rohrs werden vorzugsweise
so gewählt,
dass die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Rohrs und dem Außendurchmesser
der Stange von 0,5 mm bis etwa 1,5 mm liegt, vorzugsweise etwa 1,0
mm beträgt,
wodurch ein bevorzugter ringförmiger
Zwischenraum zwischen diesen von etwa 0,5 mm geschaffen wird. Typischerweise
kann der Durchmesser der Stange von etwa 11 bis etwa 25 mm variieren.
Der äußere Durchmesser
des Rohrs beträgt
typischerweise etwa 20 bis etwa 80 mm, die Dicke der Wände liegt
vorzugsweise von etwa 4 bis etwa 30 mm. Die Länge sowohl der Stange als auch
des Vorformlings umfaßt
typischerweise einen Bereich von etwa 800 mm bis etwa 1 m.
-
Der
nächste
Schritt, der in 4 dargestellt ist, umfaßt das Anpassen
einer Einrichtung 22 an das obere Ende der Stange und des
Rohrs. Wie in 5 dargestellt ist, umfaßt die Vorrichtung
Schlitzringe 32, 33 und O-Ringe 12, 13, 14,
die nicht nur das obere Ende des inneren Vorformlings innerhalb
des Mantels zentrieren, sondern auch eine luftdichte Dichtung zwischen
dem Mantelrohr und der inneren Stange schaffen. Dies ermöglicht es,
im nächsten
Schritt ein Vakuum auf den ringförmigen
Zwischenraum aufzubringen.
-
Insbesondere
umfaßt
die in 5 gezeigte Einrichtung einen mit einem Gewinde
versehenen Körper
(37) und Gewinderinge (38, 39 und 40)
aus rostfreiem Edelstahl. O-Ringe (12, 13 und 14)
bestehen vorzugsweise aus einem Elastomer-Material, insbesondere
aus einem Fluorelastomer, wie beispielsweise Viton®. Die
Schlitzringe (32 und 33) bestehen vorzugsweise
aus einem Kunststoffmaterial, welches ausreichend glatt und weich
sein sollte, damit während
des Ausrichtungsvorgangs keine Kratzer oder Brüche an dem Rohr auftreten.
Beispielsweise können
Fluorcarbon-Polymere wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) vorteilhafterweise
als Material für
die Schlitzringe verwendet werden.
-
Der
Dichtungs- und Ausrichtungsmechanismus der Einrichtung wird durch
die Kompression der O-Ringe durch die Schlitzringe gewährleistet.
Beispielsweise zwingt eine Drehung des Metallrings 38 den
Schlitzkragen 32 nach oben und übt eine Kompression auf den
O-Ring 12 aus, bis eine Dichtung zwischen der Anordnung
und dem Mantel-Handgriff erreicht wird, die dem erforderlichen Vakuum
widerstehen kann, während
das Rohr innerhalb der Anordnung zentriert wird. Dies wird ebenfalls
durch eine Drehung des Rings 40 wiederholt, die den Schlitzkragen 33 gegen
den O-Ring 13 drückt
und hierdurch eine angemessene Dichtung gegen die Stange des Vorformlings
schafft, während
die Stange konzentrisch zum Rohr und der Anordnung ausgerichtet
wird.
-
8 zeigt
eine detaillierte Draufsicht auf den Schlitzring 33. Wie
in den Fig. dargestellt ist, ist die äußere Oberfläche der Schlitzringe vorzugsweise keilförmig im
Vergleich zur inneren Oberfläche.
Darüber
hinaus sind die Kragen vorzugsweise keine vollständigen Ringe, sondern geöffnet, und
sie weisen auf ihrem Umfang 80 eine Lücke 81 von einigen
Millimetern auf, typischerweise von etwa 2 mm bis etwa 4 mm. Diese
Lücke ermöglicht es,
den gleichen Schlitzring zur Aufnahme unterschiedlicher Rohre oder
Stangen mit kleinen Durchmesserabweichungen (typischerweise von
etwa 1–3
mm) aufzunehmen, ohne dass die Schlitzringe in Abhängigkeit
von den unterschiedlichen Abmessungen der Stange oder des Rohrs
gewechselt werden müssen.
Tatsächlich
sind die Abmessungen der Einrichtung so gewählt, dass ein guter Abdichtungs-
und Ausrichtungsmechanismus auch dann noch erreicht werden kann,
wenn die Lücke
in dem Schlitzkragen vergrößert wird,
wenn die Schlitzkrägen
auf der äußeren Oberfläche der
Stange oder des Rohrs angeordnet werden. Die vorliegende Erfindung
schafft damit ein Verfahren zum festen Halten der Stange und des Mantelrohrs
konzentrisch zueinander. Die Vorgänge des Schaffens der Dichtung
mit den Krägen
und den O-Ringen, wie zuvor beschrieben, führt dazu, dass die Stange und
das Mantelrohr sich nicht mehr bewegen können. Daher wird die Symmetrie
der mechanischen Anordnung die gewünschte Ausrichtung der Stange
und des Mantelrohrs zueinander gewährleisten. Der Angriff um die
Stange und das Mantelrohr wird durch die Krägen (32 und 33)
und die O-Ringe (12 und 14)
geschaffen.
-
Die
Anordnung, die die zuvor beschriebene Einrichtung mit der ausgerichteten
Stange und dem Rohr umfaßt,
wird anschließend
auf eine steuerbare Drehbank montiert, welche vorzugsweise eine
Glasbank mit simultan rotierenden Greifern ist, die vertikal ausgerichtet
sind, so dass die gelagerten Enden keinem wesentlichen Drehmoment
ausgesetzt werden und die Anordnung sich nicht aufgrund der Erwärmung durchbiegen
wird. 7 zeigt schematisch ein Beispiel einer solchen
Drehbank, auf welcher eine Anordnung 70 aus Stange und
Rohr montiert werden könnte.
Für ein
genaueres Verständnis
einer solchen Drehbank wird ferner auf das US-Patent Nr. 5,221,306
und auf 5,578,106 verwiesen.
-
Die
Einrichtung 22, die im Detail in 5 dargestellt
ist, wird oben auf dem Vorformling aufgepaßt und dient als Handhabungseinrichtung,
die sich durch eine zentrale Öffnung
in einem der Greifer erstreckt, der so abgewandelt ist, dass der
ringförmige Zwischenraum 11 zwischen
der Stange und dem Rohr teilweise evakuiert werden kann. Ein konzentrischer
Kanal erstreckt sich durch eine Drehdichtung 36 zur offenen
Mitte der Dichtung, wodurch der ringförmige Zwischenraum 11 durch
einen "Schnellverbinder" 35 in Verbindung
mit einer Vakuumpumpe gehalten wird. Die Anordnung kann durch eine
eine C-Nut (nicht dargestellt) auf einer rotierenden Platte 34 eingerastet
werden und anschließend
mit der Drehbank verbunden werden. Die Anordnung wird an ihrem Platz
unter Verwendung des Metallrings 38 blockiert. Die Anordnung
kann vor dem abschließenden Blockieren
an ihrem Platz gedreht werden, um die beste Annäherung an eine vertikale Ausrichtung
auf der Drehbank zu erreichen. Ein Rohr (nicht dargestellt) ist
an den Verbinder 35 angeschlossen, welches die Aufbringung
eines Vakuums zuläßt.
-
Das
untere Ende der Stange des Vorformlings wird durch Klauen (nicht
dargestellt) gehalten, die an dem unteren Greifer der Drehbank angebracht sind.
-
Die
steuerbare Drehbank umfaßt
einen Brenner 71 oder eine vergleichbare Wärmequelle, der
auf einem dreiachsigen Positionierungsgestell 72 montiert
ist, das auf dem gleichen Bett (nicht dargestellt) wie die Drehbank
fußt,
so dass die Position des Brenners während des Betriebs genau gesteuert werden
kann. Ein Computer (nicht dargestellt) kann dazu vorgesehen sein,
die Rotation des Körpers 70 über die
Drehbank und die Bewegung der Wärmequelle 71 zu
koordinieren und zu steuern. Der Computer steuert ferner die Rotationsgeschwindigkeit
des Körpers
um die Z-Achse und die Geschwindigkeit der Wärmequelle 71 um die
Z-Achse. Schrittmotoren (nicht dargestellt) sind dazu vorgesehen,
die drei Achsen des Positionierungsgestells zur Steuerung des Orts
und der Bewegungsgeschwindigkeit der Wärmequelle 71 anzutreiben.
Zu Beginn des Vorgangs wird der Brenner am unteren Ende des Rohrs angeordnet,
entsprechend dem Berührungspunkt des
Rohrs mit dem vergrößerten Durchmesser 21 der Stange.
-
In
dem nächsten
Schritt, der in 6 dargestellt ist, formt die
Wärmequelle
(nicht dargestellt) eine Dichtung 25 zwischen dem unteren
Ende des Rohrs 8 und der Stange 2. Der zusammengedrückte Abschnitt
sollte eine ausreichende Länge
aufweisen, um eine leichte Handhabung des Vorformlings während der
anschließenden
Ziehphase zu gewährleisten,
während
der das Ende des Vorformlings zunächst erwärmt wird, so dass es in eine
optische Faser gezogen werden kann. Dementsprechend weist die Dichtung 25 vorzugsweise
eine Länge
von etwa 5–10
mm auf.
-
Die
Wärmequelle
ist typischerweise ein Brenner, beispielsweise ein Wasserstoff-/Sauerstoffbrenner,
der es ermöglicht,
die zusammenfallende Zone des Vorformlings auf eine Temperatur zu
bringen, die geringfügig
niedriger ist als diejenige, die im allgemeinen für die Ziehphase
angewendet wird, welche Zusammendrücktemperatur vorzugsweise zwischen
1800°C und
2000°C liegt
und vorzugsweise etwa 1900°C
beträgt.
Andere Wärmequellen,
die in dem vorliegenden Prozeß verwendet
werden können,
sind kleine Öfen
wie etwa Graphitwiderstandsöfen
oder Induktionsöfen.
Alternativ kann eine Plasmaflamme verwendet werden.
-
Die
Wärmequelle
passiert somit das Rohr 8 mit einer vorgegebenen Eindrückgeschwindigkeit, wobei
ein Abschnitt des Rohrs auf die Stange am unteren Ende des Rohrs
bei 23 zusammengedrückt wird.
Während
der Phase des Zusammendrückens beträgt die Eindrückgeschwindigkeit
der Wärmequelle
vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 30 mm/min. Insbesondere sollte
in Abhängigkeit
der Temperatur der verwendeten Wärmequelle
eine solche Eindrückgeschwindigkeit
ausreichend hoch gehalten werden, um ein unnötiges Überhitzen der Eindrückzone zu vermeiden;
dennoch sollte die Geschwindigkeit auch nicht zu hoch sein, damit
ein vollständiges
und relativ schnelles Zusammendrücken
des Rohrs in der erwünschten
Zone ermöglicht
wird. Ein weiterer Parameter, der die Bewegungsgeschwindigkeit der
Wärmequelle
während
der Phase des Zusammendrückens
bestimmt, ist die Abmessung des zusammenzudrückenden Rohrs, insbesondere
seine Dicke. Üblicherweise
werden dickere Rohre eine langsamere Bewegung der Wärmequelle
erfordern, damit das Glas ausreichend erhitzt wird. Beispielsweise
führt nach
den Erfahrungen des Anmelders ein Anwachsen der Wanddicke auf das
Zweifache zu einer zweifachen Verminderung der Eindrückgeschwindigkeit bei
gleicher Brennerkonstruktion.
-
Ein
Vakuum (nicht dargestellt) wird dann vorzugsweise zum teilweisen
Evakuieren des ringförmigen
Zwischenraums 11 zwischen der Stange 2 und dem
Rohr 8 für
die verbleibende Zeit aufgebracht, in der der Vorformling sich auf
der Drehbank befindet. Im allgemeinen ist es zur Vereinfachung des
Zusammendrückens
des Rohrs ausreichend, ein Vakuum aufzubringen, das geringfügig kleiner
ist als der Umgebungsdruck, beispielsweise etwa 0,95 bar. Der Anmelder
hat jedoch beobachtet, dass ein Anwachsen des Vakuums beispielsweise
auf 0,01 bar oder weniger das Zusammendrücken des Rohrs weiter vereinfachen
kann, was zu einer Vergrößerung des
Prozeßdurchsatzes
führt.
-
Nach
dem Zusammendrücken
des unteren Endes der Anordnung wird die Bewegungsgeschwindigkeit
der Wärmequelle
vergrößert, bis
sie den oberen Abschnitt des Rohrs erreicht. Die Bewegung der Wärmequelle
auf dem mittleren Teil des Vorformlings sollte ausreichend schnell
sein, um ein Zusammendrücken
des Rohrs auf die Stange zu vermeiden, so dass sichergestellt wird,
dass der ringförmige
Zwischenraum 11 im wesentlichen intakt bleibt. Der Anmelder
hat jedoch festgestellt, dass bei zu hoher Geschwindigkeit bei dieser
Bewegung ein thermisches Cracken des Vorformlings auftreten kann.
Tatsächlich
kühlen
dann, falls die Bewegungsgeschwindigkeit der Wärmequelle zu hoch ist, die
geschmolzenen Siliziumdioxid-Bestandteile in der Eindrückzone zu schnell
ab, und Risse treten an den Spannungsgrenzbereichen auf. Der Anmelder
hat festgestellt, dass durch Verwendung einer vorgegebenen Bewegungsgeschwindigkeit
die thermischen Risse des Vorformlings vermieden werden können. Insbesondere
sollte diese Geschwindigkeit ausreichend niedrig sein, um Risse
in dem Vorformling zu vermeiden, jedoch ausreichend schnell, um
jedes Zusammenziehen der mittleren Zone des Rohrs zu vermeiden. Dementsprechend
hat der Anmelder festgestellt, dass die Bewegungsgeschwindigkeit
der Wärmequelle
bei diesem Schritt des Verfahrens etwa das Zwei- bis etwa das Achtfache
der Bewegungsgeschwindigkeit beim Zusammendrückschritt betragen sollte,
vorzugsweise etwa das Zwei- bis etwa das Sechsfache. Somit wird
in Abhängigkeit
von der Temperatur der Wärmequelle
und den Abmessungen des zusammenzudrückenden Rohrs die Wärmequelle vorzugsweise
mit einer Bewegungsgeschwindigkeit von etwa 30 bis etwa 150 mm/min
zwischen den zwei Eindrückzonen
bewegt.
-
Wenn
die Wärmequelle
das obere Ende des Vorformlings erreicht, wird die Geschwindigkeit
der Wärmequelle
wieder reduziert, so dass der Brenner einen oberen Abschnitt der
Rohrs auf die Stange bei 24 zusammendrückt und abdichtet. Die Eindrückgeschwindigkeit
der Wärmequelle
beim Zusammendrücken
dieses zweiten Abschnitts ist im wesentlichen die gleiche wie im
ersten Abschnitt. Die Länge
diesen zusammengedrückten
zweiten Abschnitts kann jedoch kleiner sein als die Länge des
gegenüberliegenden
zusammenge drückten
Abschnitts, da dieser Abschnitt nicht der anfänglichen Schmelzphase in dem Ziehschritt
ausgesetzt wird. Typischerweise beträgt seine Länge etwa 2 bis etwa 5 mm. Der
ringförmige Zwischenraum
soll bis zu diesem Punkt vollständig abgedichtet
sein, so dass der Evakuierungszustand innerhalb des Vorformlings
während
des gesamten Ziehprozesses aufrecht erhalten wird.
-
Der
Brenner wird anschließend
bis zum unteren Griff 3 bewegt und kann durch den Griff
unterhalb des abgedichteten Bereichs des Vorformlings 23 brennen,
so dass der fertige Vorformling kürzer ist und leichter getragen
werden kann. Der fertige Vorformling kann dann von der Drehbank
entfernt werden und vertikal in dem Ziehturm montiert werden.
-
Während des
gesamten Verfahrens wird die Drehbank vorzugsweise bei einer Drehgeschwindigkeit
von etwa 2 bis etwa 10 U/min gehalten, vorzugsweise bei etwa 5 U/min.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
anstelle der Bildung einer vollständigen Dichtung am unteren
Ende des Rohrs das Rohr lediglich teilweise auf die Stange abgedichtet, über eine
Länge entsprechend
etwa 10–30%
der endgültigen
Länge der
Dichtung 25. Insbesondere wird ein unterer Bereich des
unteren Abschnitts zusammengedrückt. Das
Vakuum wird aufgebracht, und die Wärmequelle bewegt sich ein erstes
Mal nach oben zum gegenüberliegenden
Ende des Rohrs, bei einer ersten vorgegebenen Bewegungsgeschwindigkeit,
um ein Entfernen flüchtiger
zurückgebliebener
Verbundstoffe an der inneren Wand des Rohrs oder auf der Stange
zu ermöglichen.
Die Wärmequelle
wird anschließend wieder
an das untere Ende gebracht, indem sie entlang des Rohrs mit etwa
der ersten Bewegungsgeschwindigkeit gebracht wird. Das Abdichten
des unteren Abschnitts wird dann abgeschlossen, und der Vorgang
wird wie zuvor beschrieben fortgesetzt, wobei die Wärmequelle
zum gegenüberliegenden
Ende des Rohrs mit einer zweiten Bewegungsgeschwindigkeit des Rohrs
bewegt wird und der zweite Abschnitt des Rohrs zusammengedrückt wird.
Die erste und die zweite Bewegungsgeschwindigkeit können beide
zwei- bis etwa achtmal höher
sein als die vorgegebene Eindrückgeschwindigkeit.
Vorzugsweise ist die erste vorgegebene Bewegungsgeschwindigkeit
etwa zwei- bis sechsmal höher
als die vorgegebene Eindrückgeschwindigkeit,
während
die zweite vorgegebene Bewegungsgeschwindigkeit von etwa vier- bis
achtmal höher
ist als die vorgegebene Eindrückgeschwindigkeit.
-
Der
Anmelder hat beobachtet, dass durch Anwendung dieses zweifachen
Passierens der Wärmequelle
entlang der gesamten Länge
des Rohrs eine verbes serte Entfernung flüchtiger Komponenten von der
Verbindung zwischen Stange und Rohr erreicht werden kann, während der
Vorformling einer zusätzlichen
Wärmebehandlung
unterzogen wird, die die endgültigen
Eigenschaften der aus einem solchen Vorformling gewonnenen optischen
Faser verbessern. Insbesondere kann durch lediglich teilweises Eindrücken des
unteren Bereichs des unteren Abschnitts des Rohrs ein verbessertes
Entfernen solcher flüchtiger
Stoffe in der Eindrückzone
erreicht werden. Dieses verbesserte Entfernen flüchtiger Stoffe vermindert das
Risiko der Bildung von Blasen während
der anschließenden
Ziehphase, insbesondere in der Zone des abgedichteten Endes des
Vorformlings.
-
Wie
anhand der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, schafft die
vorliegende Erfindung ein einfacheres und schnelleres Verfahren
zur korrekten Ausrichtung des Rohrs mit der Stange vor der Montage
auf der Glasbank, so dass die aufwendigen Betriebsschritte vermieden
werden, die beim Stand der Technik zur Zentrierung des Rohrs und
der Stange unmittelbar auf der Glasbank erforderlich sind. Ferner
vermindert die Steuerung der Relativbewegung der Wärmequelle
entlang des zusammenzudrückenden
Rohrs die Risiken von Rissen im endgültigen Vorformling sowie der
Blasenbildung während
der anschließenden
Ziehphase.
-
2 ist
eine schematische Ansicht des Vorformlings, der gemäß 1 zusammengesetzt
ist und in einem Ziehturm (nicht dargestellt) angeordnet ist. Das
untere Ende des Vorformlings 19, das der Wärmequelle 16 ausgesetzt
wird, wird abgeschmolzen, so dass ein Hals abwärts angeordneter Bereich 17 gebildet
wird, in welchem das Rohr 8 auf die Stange 2 zusammengedrückt wird,
so dass in kontrollierter Weise eine massive optische Faser 18 gezogen werden
kann. Während
des Schritts des Faserziehens verbleibt das untere Ende des Vorformlings
zusammengedrückt
und abgedichtet, während
die Faser 18 gezogen wird, so dass sichergestellt wird, dass
der ringförmige
Zwischenraum 11 unter einem Vakuum abgedichtet bleibt.